钇掺杂锰氧化物催化剂的结构调控与氧迁移协同增强丙烯催化氧化性能研究

《Journal of Catalysis》：Enhanced propene oxidation over yttrium-doped cryptomelane MnO 2 catalysts: synergistic effects of structural modification and oxygen mobility

本文通过钇（Y）掺杂调控隐钾锰矿型MnO2的隧道结构，成功构建了高活性非贵金属催化剂。7% Y掺杂替代K+位点后，催化剂比表面积提升至158 m2/g，氧空位浓度增加，Mn–O键弱化，丙烯氧化表观活化能降至59 kJ/mol，在175°C即可实现50%转化（空速120,000 mL·g?1·h?1）。该研究为工业VOCs（挥发性有机物）净化提供了新型催化剂设计范式。

　　

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催化剂制备

通过氧化还原沉淀法，以硝酸钇和高锰酸钾为前驱体，乙醇为还原剂，制备了不同Y/Mn摩尔比（1%–10%）的Y掺杂MnO₂催化剂。涉及反应如下：

4KMnO₄ + 3CH₃CH₂OH → 4MnO₂↓ + 3CH₃COOK + KOH + 4H₂O

Y(NO₃)₃ + 3KOH → Y(OH)₃↓ + 3KNO₃

典型步骤：将3.1607 g KMnO₄（20 mmol）与特定量Y(NO₃)₃·6H₂O溶于去离子水，搅拌后加入乙醇，80°C反应2小时。过滤洗涤后，固体在100°C干燥12小时，获得Y-Mn催化剂。

催化活性

丙烯完全氧化性能测试显示，Mn基催化剂可高效将丙烯转化为CO₂和H₂O且无副产物，而Y₂O₃催化剂在450°C时仅实现25%丙烯转化且产生大量CO。7% Y-Mn催化剂表现出最优性能，其丙烯氧化速率在170°C达0.5 μmol·s^?1·g_Mn^?1，稳定性超过60小时，并具备优异的水耐受性（5% H₂O可逆失活）和抗CO/丙烷干扰能力。

结论

本研究通过Y³⁺替代α-MnO₂隧道K⁺位点，成功构建了高性能丙烯氧化催化剂。Y掺杂（1%–10%）诱导形貌从纳米棒向纳米颗粒转变，增加比表面积，降低表面碱性，并通过电荷补偿效应产生丰富氧空位。优化的7% Y-Mn催化剂兼具高氧迁移率（活性氧物种达1.41 mmol/g）和结构稳定性，为工业VOCs治理提供了新材料设计策略。